礦井綜采工作面智能開采系統(tǒng)建設(shè)與分析

劉 振,祁連光

(淮北礦業(yè)股份有限公司 許疃煤礦，安徽 淮北 235000)

21世紀(jì)以來，我國安全高效高端綜采技術(shù)與裝備研發(fā)突飛猛進(jìn)，取得大批重要成果，推動(dòng)煤炭行業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化程度大幅提升，安全保障程度大幅提高，許多重點(diǎn)礦區(qū)連續(xù)實(shí)現(xiàn)億噸無死亡[1-3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，煤炭行業(yè)也由粗放的生產(chǎn)方式向集約化、精細(xì)化方向轉(zhuǎn)型[4-5]，智能化開采成為煤炭安全高效開采的發(fā)展方向與必然趨勢。

我國智能化開采技術(shù)起步較晚，2007年才實(shí)現(xiàn)了電液控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化。在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)及智能制造專項(xiàng)的支持下，先后研發(fā)了采掘裝備遠(yuǎn)程遙控、自動(dòng)化放煤、直線度控制、采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高等技術(shù)[6-9]。通過智能協(xié)調(diào)工作面各設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，解決工作面裝備智能決策缺失難題，實(shí)現(xiàn)工作面智能化開采。

1 智能綜采工作面可行性分析

許疃煤礦礦井水文地質(zhì)條件簡單，無陷落柱，工作面揭露斷層50條，為高瓦斯非突出礦井。主采82號(hào)煤層，煤層較穩(wěn)定，分布連續(xù)，全區(qū)可采，煤層厚度1.30～5.30 m，平均3.30，煤層傾角3～18°，平均8°，煤層普氏系數(shù)f=0.45.煤塵爆炸指數(shù)為32.26%，屬易爆炸煤層。設(shè)計(jì)布置2～3個(gè)工作面。工作面走向長度1 570 m，傾向長度245 m.基本頂為細(xì)砂巖，厚度7.27～16.33 m.平均厚度11.84 m，煤層上方局部有直接頂(偽頂)為泥巖，厚度1.01～1.56 m，平均1.30 m.直接底為泥巖，厚度4.00～20.15 m，平均厚度8.9 m.未考慮權(quán)重下各評(píng)價(jià)因素間的工作面分類平均得分為77.6分，在考慮各因素權(quán)重下，由公式(1)求得該采煤工作面分類綜合評(píng)測結(jié)果為79.9分，類別為II類中等，各評(píng)價(jià)因素得分如表1所示，結(jié)果如圖1所示。

V1=[ω1ω2Lω20][r1r2Lr20]T

(1)

式中：[ω1ω2Lω20]為評(píng)價(jià)指標(biāo)向量行向量；[r1r2Lr20]為評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量列向量；兩者向量的積V1為工作面條件分類依據(jù)。

表1 許疃8224智能化采煤工作面分類評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值

1—煤層厚度;2—煤層傾角;3—煤層硬度;4—節(jié)理裂隙發(fā)育程度;5—煤層穩(wěn)定性;6—直接頂穩(wěn)定程度;7—基本頂板級(jí)別;8—底板穩(wěn)定程度;9—褶曲影響程度;10—斷層影響程度;11—陷落柱影響程度;12—礦井瓦斯等級(jí);13—煤層自燃傾向;14—水文地質(zhì)復(fù)雜程度;15—煤塵爆炸傾向;16—工作面俯仰采角度;17—偽頂厚度;18—工作面走向長度;19—工作面傾斜寬度;20—可布置工作面數(shù)量

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該工作面煤層賦存條件一般，應(yīng)采用薄煤層和中厚煤層智能化有人巡視無人操作模式進(jìn)行智能化開采。煤層較軟且受72煤層開采影響，82煤粉末狀和碎塊狀為主節(jié)理發(fā)育，工作面斷層發(fā)育且高瓦斯，這些都會(huì)對(duì)工作面安全管理造成一定影響。

2 綜采工作面智能開采關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能開采系統(tǒng)

2.1.1 設(shè)備組成

智能開采系統(tǒng)設(shè)備在井下部分主要有液壓支架、超前支架、采煤機(jī)、刮板機(jī)、皮帶機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、乳化泵、交換機(jī)、自動(dòng)配比、工作面攝像系統(tǒng)，再經(jīng)環(huán)網(wǎng)至調(diào)度室。自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括集控中心(包括支架監(jiān)控、綜合監(jiān)控及采機(jī)監(jiān)控)、電液控系統(tǒng)，地面設(shè)備由主畫面、采煤機(jī)、泵站、趨勢查詢、報(bào)表查詢、報(bào)警查詢、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、事件查詢、退出系統(tǒng)以及開關(guān)等按鈕組成。

2.1.2 綜采支架選型

1) 支架選擇。8224綜采工作面走向1 570 m，煤厚1.3～5.3 m，平均煤厚3.30 m，賦存穩(wěn)定；煤層傾角3～18°，平均8°，直接頂為細(xì)砂巖，工作面的基本頂為Ⅱ級(jí)、直接頂為Ⅱ類，適宜采用掩護(hù)式液壓支架或支撐掩護(hù)式液壓支架。

根據(jù)8222綜采工作面實(shí)際回采情況，預(yù)測了8224綜采工作面的基本回采情況：根據(jù)該面的煤層賦存條件及集團(tuán)公司液壓支架的使用現(xiàn)狀，工作面支架選用ZZ10000/18/36D型液壓支架，支架額定初撐力7 760 kN，額定工作阻力10 000 kN，額定支護(hù)強(qiáng)度1.30 MPa，支撐高度1.8～3.6 m，底板比壓2.54 MPa，本工作面直接底板為泥巖，其單向抗壓強(qiáng)度為5.2～16 MPa，大于支架的底座前端比壓2.54 MPa.

2) 液壓支架適用性分析。從表2可以看出，該支架基本滿足8224綜采工作面的使用要求，從安全技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益考慮，8224綜采工作面采用ZZ10000/18/36D支撐掩護(hù)式液壓支架，可以滿足支護(hù)設(shè)計(jì)要求。工作面的初撐力及工作阻力計(jì)算根據(jù)工作面的頂板平均數(shù)值取得，隨著工作面的推進(jìn)，頂板發(fā)生變化時(shí)，要及時(shí)調(diào)整工作面的采高，確保工作面正常回采。

表2 工作面條件與支架適應(yīng)性條件對(duì)比

2.2 智能開采系統(tǒng)配置

2.2.1 采煤機(jī)控制系統(tǒng)

MG500/1180-WD-CAN型電牽引智能化采煤機(jī)是為了適應(yīng)綜采工作面自動(dòng)化開采技術(shù)的發(fā)展，滿足煤礦高產(chǎn)高效需求而開發(fā)研制的新一代雙滾筒采煤機(jī)，如圖2所示。

圖2 智能化采煤機(jī)

采煤機(jī)控制系統(tǒng)功能包括：①支持工作面集控；②采煤機(jī)具有遠(yuǎn)程監(jiān)、控功能；③采煤機(jī)具有記憶截割功能；④采煤機(jī)自動(dòng)截割三角煤功能；⑤具有煤機(jī)位置精準(zhǔn)系統(tǒng)；⑥具有瓦斯聯(lián)動(dòng)限速功能；⑦具有刮板、轉(zhuǎn)載等負(fù)載限速聯(lián)動(dòng)功能；⑧具有語音播報(bào)功能、端頭數(shù)字顯示功能；⑨采煤機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)均可配置功能。

2.2.2 液壓支架

1) 液壓支架自動(dòng)控制系統(tǒng)介紹。液壓支架電液控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化開采的重要組成部分，通過集成機(jī)、電、液領(lǐng)域的尖端技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面液壓支架的多種模式控制，提高工作效率，改善生產(chǎn)條件，達(dá)到煤礦安全、高產(chǎn)高效采煤的目的。其主要功能有：本架控制、鄰架控制、隔架控制、成組控制、急停閉鎖、程序自動(dòng)更新、自動(dòng)跟機(jī)、礦壓監(jiān)測分析和自動(dòng)補(bǔ)壓。

2) 電液控制系統(tǒng)組成。整個(gè)電液控系統(tǒng)由20功能主閥、支架控制器、位移傳感器、壓力傳感器、隔爆兼本安型直流電源、電源耦合器(ZDYZ-JA)、架間耦合器(ZDYZ-JB)、驅(qū)動(dòng)器、紅外接收器、紅外發(fā)射器、遙控器、無線接收模塊組成。

3) 自動(dòng)供液系統(tǒng)。自動(dòng)供液系統(tǒng)由清水過濾站、乳化泵、清水泵、高壓反沖洗、回液過濾站、乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)等組成，可實(shí)現(xiàn)以下功能：監(jiān)測泵箱液位，溫度、乳化液濃度；自動(dòng)配置乳化液濃度，使乳化液濃度在3%～5%之間；根據(jù)液位，自動(dòng)對(duì)泵箱進(jìn)行補(bǔ)液；監(jiān)測高壓過濾站進(jìn)出口的壓力，如壓力差超過5個(gè)兆帕(可調(diào))，則進(jìn)行高壓自動(dòng)沖洗；根據(jù)分析高壓進(jìn)出口的壓力，結(jié)合泵箱液位的變化和支架動(dòng)作的特性，對(duì)爆管進(jìn)行提示；根據(jù)液位，防止泵站吸空。

2.2.3 設(shè)備集控中心

工作面順槽監(jiān)控中心是整個(gè)自動(dòng)化工作面的核心，其中視頻解碼器接井下工作面視頻，千兆交換機(jī)接井下環(huán)網(wǎng)，再接視頻主機(jī)；自動(dòng)化主機(jī)接工作面控制器、自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、KTC101控制。系統(tǒng)包括：集控操作臺(tái)、視頻主機(jī)、數(shù)據(jù)處理主機(jī)(客戶端、采煤機(jī)、刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶機(jī)、泵站、供電系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))、交換機(jī)等功能單元組成。

通過監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程自動(dòng)控制；監(jiān)控中心對(duì)液壓支架工況監(jiān)測與遠(yuǎn)程自動(dòng)控制；監(jiān)控中心對(duì)運(yùn)輸設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與集中自動(dòng)化控制；監(jiān)控中心對(duì)泵站系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與集中自動(dòng)化控制；能夠?qū)Σ擅簷C(jī)、刮板機(jī)頭、刮板機(jī)尾、轉(zhuǎn)載點(diǎn)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視；井上數(shù)據(jù)傳輸；綜采設(shè)備連鎖控制；一鍵啟停功能。

2.3 智能開采系統(tǒng)功能

2.3.1 采煤機(jī)

1) 采煤機(jī)遠(yuǎn)程通訊技術(shù)。通過采煤機(jī)的控制電纜實(shí)現(xiàn)了煤機(jī)和巷道之間的通訊，并解決了以往的通訊不穩(wěn)定和通訊回路易斷裂的情況；采煤機(jī)定位系統(tǒng)由硬件和軟件組成，其中硬件組成：在采煤機(jī)牽引部設(shè)計(jì)時(shí)加入了編碼器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，高精度多圈編碼器；軟件組成：通過自主研制的算法對(duì)編碼器的累積誤差進(jìn)行補(bǔ)償；外部校準(zhǔn)：通過采煤機(jī)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行編碼器的軟校準(zhǔn)；自動(dòng)截割三角煤：三角煤生產(chǎn)工藝程序化轉(zhuǎn)換。

2.3.2 設(shè)備故障檢測

液壓支架智能設(shè)備故障檢測，包括程序丟失，參數(shù)錯(cuò)誤，輸入錯(cuò)誤，輸出錯(cuò)誤，通訊錯(cuò)誤，人機(jī)交互錯(cuò)誤和安全操作裝置故障等。采集數(shù)據(jù)故障檢測，超量程報(bào)警告等。

通過對(duì)設(shè)備的每臺(tái)減速器及電動(dòng)機(jī)進(jìn)行溫度、壓力、流量、位移、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的檢測，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、傳輸，同時(shí)對(duì)輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和相關(guān)泵站的實(shí)現(xiàn)集中順序啟?？刂坪凸ぷ髅嫜鼐€的語音預(yù)警和對(duì)講功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)故障報(bào)警。

3 淮北礦業(yè)智能開采現(xiàn)狀及存在問題

3.1 淮北礦業(yè)智能開采現(xiàn)狀

淮北礦區(qū)經(jīng)過60 a的高強(qiáng)度開采，本部煤炭資源趨于萎縮，采場逐步向深部復(fù)雜條件轉(zhuǎn)移，開采的困難程度和安全威脅越來越大，隨著煤礦從業(yè)人員短缺問題進(jìn)一步加劇，企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)。智能化開采順應(yīng)煤炭行業(yè)發(fā)展趨勢，是實(shí)現(xiàn)“人少則安、無人則安”的必由之路，成為破解企業(yè)發(fā)展難題的戰(zhàn)略選擇。

淮北礦業(yè)集團(tuán)智能化采煤以采煤機(jī)記憶截割、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)和可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)在地面調(diào)度指揮中心或井下智能化工作面集控中心對(duì)綜采設(shè)備的智能監(jiān)測與集中控制，確保工作面智能化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工作面的連續(xù)、安全、高效開采。

3.2 存在問題

1) 智能水平有待提升。目前，在地質(zhì)條件較好的采煤工作面基本能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作、有人巡視的常態(tài)化生產(chǎn)，但復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層都不如預(yù)想般理想，無法預(yù)知的圍巖活動(dòng)和環(huán)境變化。

2) 配套傳感技術(shù)落后。采煤機(jī)記憶截割主要依靠采高傳感器來監(jiān)測煤層厚度變化，但目前在用的采高傳感器不論是軸編碼器還是位移型油缸傳感器，均存在采煤機(jī)截割過程中因振動(dòng)而引起監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差較大、不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

3) 專業(yè)技能人才不足。近幾年，煤炭企業(yè)人才流失嚴(yán)重，多數(shù)煤炭院校畢業(yè)生不愿意從事煤炭開采，造成生產(chǎn)一線專業(yè)技術(shù)人員力量不足。同時(shí)，精通智能技術(shù)和煤炭業(yè)務(wù)的混合型人才更是嚴(yán)重匱乏，導(dǎo)致煤礦智能化專業(yè)軟件適用性差，基層技術(shù)人員不能根據(jù)現(xiàn)場變化調(diào)整技術(shù)參數(shù)，對(duì)廠家技術(shù)人員過于依賴，智能化系統(tǒng)無法更好地適應(yīng)現(xiàn)場安全生產(chǎn)。

4) 資金保障供應(yīng)不力。智能化裝備生產(chǎn)成本普遍較高，前期一次性投入較大。智能化裝備精密程度較高，受井下粉塵、高溫、潮濕環(huán)境影響容易損壞，頻繁更換配件造成日常使用費(fèi)用較高。

4 結(jié) 語

1) 提出煤礦智能化工作面開采模式劃分方法，建立煤礦智能化工作面綜采適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定智能化工作面分類與分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值，并對(duì)許疃煤礦8224工作面智能化開采適應(yīng)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2) 對(duì)許疃煤礦8224工作面智能開采關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

3) 分析了淮北礦業(yè)智能開采現(xiàn)狀及存在問題，以確保后續(xù)工作面智能化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工作面的連續(xù)、安全、高效開采。